基于VSP振幅屬性特征的鹽下構(gòu)造鉆前深度預(yù)測(cè)新方法

王 沖 王 靜 蔡志東 張曉丹 付檢剛 崔曉杰

(東方地球物理公司新興物探開發(fā)處，河北涿州 072751)

·綜合研究·

基于VSP振幅屬性特征的鹽下構(gòu)造鉆前深度預(yù)測(cè)新方法

王 沖*王 靜 蔡志東 張曉丹 付檢剛 崔曉杰

(東方地球物理公司新興物探開發(fā)處，河北涿州 072751)

由于對(duì)地質(zhì)、地震資料認(rèn)識(shí)的局限性，在地面地震剖面上很難準(zhǔn)確識(shí)別塔里木盆地庫(kù)車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶鹽下構(gòu)造T8反射層位置，且常規(guī)VSP鉆前深度預(yù)測(cè)方法也難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)目的層深度，影響鉆井工程順利實(shí)施。因此提出一種基于VSP振幅屬性特征的鉆前深度預(yù)測(cè)新方法，該方法利用波阻抗反演預(yù)測(cè)鹽下構(gòu)造層的速度，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鹽下目的層T8的深度。在庫(kù)車坳陷KS102井取得了良好的應(yīng)用效果，深度預(yù)測(cè)誤差僅為1m。

鉆前深度預(yù)測(cè) 鹽下構(gòu)造 VSP振幅屬性特征 波阻抗反演

1 引言

中國(guó)西部典型的鹽下構(gòu)造以新疆庫(kù)車坳陷山地為代表，自上而下發(fā)育新近系、古近系、白堊系和侏羅系陸相地層，主要目的層是鹽下白堊系巴什基奇克組[1]。庫(kù)車坳陷的主力生油層為鹽下的三疊—侏羅系煤系地層，古近系蓋層以膏鹽巖、膏泥巖為主，封蓋了白堊系巨厚砂巖、細(xì)砂巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，膏鹽層對(duì)其下的油氣起到了很好的保護(hù)作用。庫(kù)車坳陷地質(zhì)條件優(yōu)越，地下蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，勘探前景廣闊[2-5]。但是庫(kù)車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶富含古近系膏鹽層，膏鹽層具有不穩(wěn)定性、會(huì)產(chǎn)生塑性流動(dòng)，膏鹽層的溶解或擴(kuò)散常常導(dǎo)致井眼縮徑或形成“大肚子”井眼或井眼坍塌，存在很大的鉆井風(fēng)險(xiǎn)，是中國(guó)陸上鉆井難度最大、難題最集中的地層之一[6]。因此鉆井過(guò)程中需要在鉆進(jìn)到一定深度后預(yù)測(cè)鹽下目的層T8的深度來(lái)降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。庫(kù)車坳陷地質(zhì)情況復(fù)雜、地震資料品質(zhì)相對(duì)較差，造成鹽下目的層波組特征不明顯、構(gòu)造歸位效果差、 層位識(shí)別及斷層解釋困難，利用地面地震資料計(jì)算的鹽下目的層深度往往存在較大的偏差，不能滿足實(shí)際鉆井生產(chǎn)需求[7-11]。VSP資料與地面地震資料相比，其優(yōu)勢(shì)在于地震波傳播過(guò)程中至多穿過(guò)一次低降速帶，對(duì)于數(shù)據(jù)的振幅和頻率保護(hù)較好，同時(shí)檢波器放置在井筒中，靠近儲(chǔ)層，易于獲得更真實(shí)的地層反射信息，因此VSP鉆前深度預(yù)測(cè)是解決庫(kù)車坳陷深度預(yù)測(cè)的一種好方法[12]。蔡志東等[13]充分利用庫(kù)車坳陷地區(qū)VSP波場(chǎng)信息豐富的特點(diǎn)，提出一種全新的利用多波VSP數(shù)據(jù)開展深度預(yù)測(cè)的方法，在庫(kù)車高陡構(gòu)造地區(qū)結(jié)合理論分析和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，取得了較好的應(yīng)用效果。

在庫(kù)車坳陷山地區(qū)，對(duì)鹽下目的層在地震剖面上反射軸認(rèn)識(shí)不清，常規(guī)VSP鉆前深度預(yù)測(cè)方法不再適用?；跉v年對(duì)庫(kù)車坳陷山地區(qū)20口井的VSP資料統(tǒng)計(jì)分析，本文提出一種基于VSP振幅屬性特征的鹽下構(gòu)造鉆前深度預(yù)測(cè)新方法。利用該方法在庫(kù)車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶克深區(qū)帶成功進(jìn)行了5口井的鉆前深度預(yù)測(cè)工作，均準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了T8的深度，降低了鉆探風(fēng)險(xiǎn)，取得了良好的應(yīng)用效果。

2 地質(zhì)情況及問(wèn)題

2.1 復(fù)雜的地質(zhì)條件

KS102井是位于塔里木盆地庫(kù)車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶克深區(qū)帶上的一口評(píng)價(jià)井。該井設(shè)計(jì)井深7330m，目的層為白堊系巴什基奇克組。根據(jù)相鄰探井鉆遇的地層剖面，結(jié)合周邊露頭資料和地震資料，預(yù)測(cè)該井鉆遇地層從上至下依次為第四系西域組、新近系庫(kù)車組、康村組、吉迪克組，古近系蘇維依組、庫(kù)姆格列木群，白堊系巴什基奇克組。該地區(qū)有兩套比較明顯的巖性標(biāo)準(zhǔn)層：庫(kù)姆格列木群泥巖段和白云巖段。庫(kù)姆格列木群泥巖段底界(T7)在地面地震剖面上表現(xiàn)為一套強(qiáng)波峰反射，為該區(qū)重要的標(biāo)志層；白云巖段厚度較小，它的出現(xiàn)預(yù)示著鉆頭下方隨時(shí)可能鉆遇庫(kù)姆格列木群底界(T8)，但是在地震剖面上波組特征不明顯。古近系庫(kù)姆格列木群泥巖、膏鹽巖、膏質(zhì)泥巖是整個(gè)克拉蘇構(gòu)造帶的優(yōu)質(zhì)區(qū)域性蓋層，由于受構(gòu)造擠壓變形影響，厚度變化較大，因此在該地區(qū)對(duì)T8反射特征認(rèn)識(shí)存在一定局限性[14-16]。該區(qū)帶主力儲(chǔ)層為T8下伏的白堊系巴什基奇克組，因此在鉆井過(guò)程中鉆遇T8是揭示油氣儲(chǔ)層的關(guān)鍵。根據(jù)已有的資料解釋結(jié)果，該井鉆井地質(zhì)設(shè)計(jì)的T8目的層埋深為7120m(表1)。

表1 KS102井設(shè)計(jì)地層分層表

注：觀測(cè)井深度從鉆井平臺(tái)海拔起算，補(bǔ)心高為10.5m。

從表1中可以看出該井在庫(kù)姆格列姆群下部可能存在逆斷層，造成膏鹽巖段、白云巖段及膏泥巖段地層重復(fù)。

2.2 資料品質(zhì)差

在庫(kù)車坳陷南部地層較平緩，地震資料品質(zhì)較好，但是北部屬于高陡構(gòu)造地區(qū)，隨著地層傾角變大，地震資料品質(zhì)變差[17]。其鹽下構(gòu)造復(fù)雜，斷裂發(fā)育，地層傾角大，地震波場(chǎng)復(fù)雜。T7以上地層均為大傾角地層，T7以下地層構(gòu)造復(fù)雜，地震資料品質(zhì)更差，油氣主要聚集在T8以下鹽下地層。地震波場(chǎng)復(fù)雜和地震成像品質(zhì)較差，給認(rèn)識(shí)T8的反射特征和構(gòu)造形態(tài)帶來(lái)較大困難。該區(qū)的三維地震資料信噪比較低，特別在構(gòu)造比較復(fù)雜的鹽下段T8波組關(guān)系極為復(fù)雜，不利于地震解釋，可能造成鹽下鉆井地質(zhì)層位設(shè)計(jì)失誤。

2.3 鉆井過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

設(shè)計(jì)KS102井T8埋深為7120m，但當(dāng)鉆頭打到6856.2m時(shí)出現(xiàn)了5m厚的白云巖和膏泥巖，如果沒(méi)有逆斷層的存在，預(yù)示著即將打到目的層T8，與設(shè)計(jì)的白云巖段地層深度淺了近7045.0-6856.2=188.8m。因此提出進(jìn)行VSP中途測(cè)井，利用VSP鉆前深度預(yù)測(cè)方法弄清楚鉆頭離T8還有多遠(yuǎn)，以避免鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)地質(zhì)認(rèn)識(shí)在地震剖面上識(shí)別的T8反射軸位置3661ms，利用常規(guī)VSP鉆前深度預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)了T8的深度為7120m，與地質(zhì)設(shè)計(jì)結(jié)果基本一致(圖1)。但是，當(dāng)鉆頭打到7200m時(shí)仍然不見T8，并且重復(fù)出現(xiàn)了一套膏鹽巖、白云巖和膏泥巖。鉆井證實(shí)了庫(kù)姆格列姆群下部逆斷層的存在，此時(shí)對(duì)T8的地震反射特征的認(rèn)識(shí)出現(xiàn)了分歧，同時(shí)也面臨著一個(gè)決策性的難題：到底有沒(méi)有T8?如果有，埋深到底是多少？

3 解決問(wèn)題的方法

為了解決該井的地質(zhì)問(wèn)題，選擇了VSP中途測(cè)井進(jìn)行鉆前深度預(yù)測(cè)。但是常規(guī)VSP鉆前深度預(yù)測(cè)方法在KS102井已經(jīng)不適用。該井的核心問(wèn)題是對(duì)鹽下目的層T8認(rèn)識(shí)不清，利用VSP資料自身的信息預(yù)測(cè)目的層T8的反射位置至關(guān)重要。

3.1 利用VSP振幅屬性特征確定T8反射層時(shí)間

VSP與地面地震相比，具有反射振幅強(qiáng)、信噪比高、初至波清晰、波場(chǎng)信息豐富的特點(diǎn)，可以提取高精度的振幅屬性。振幅是地震波最重要的屬性之一，與儲(chǔ)層流體的變化和巖性的變化等因素密切相關(guān)，針對(duì)特殊的巖性界面可以通過(guò)振幅屬性進(jìn)行識(shí)別[18，19]。結(jié)合庫(kù)車坳陷的地質(zhì)條件，充分利用VSP資料相對(duì)保真的振幅信息，提出一種基于VSP振幅屬性特征的鹽下構(gòu)造鉆前深度預(yù)測(cè)新方法。該方法主要根據(jù)庫(kù)車高陡構(gòu)造的特點(diǎn)進(jìn)行VSP振幅屬性提取對(duì)比分析，篩選出絕對(duì)振幅屬性對(duì)T8反射層位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)區(qū)域上T7、T8的絕對(duì)振幅屬性特征來(lái)確定目的層T8的反射時(shí)間，進(jìn)行準(zhǔn)確的深度預(yù)測(cè)。分析該地區(qū)近20口井的VSP振幅屬性特征表明(圖2)：標(biāo)志層T7表現(xiàn)為強(qiáng)振幅，在VSP拉平記錄振幅屬性上表現(xiàn)為一套強(qiáng)振幅反射的第二個(gè)強(qiáng)反射軸。而T8表現(xiàn)為鹽下一套強(qiáng)振幅反射波組底部第一個(gè)弱振幅反射。從地面地震剖面上看，T8的反射波組特征橫向變化劇烈，單純通過(guò)地面地震資料確定T8反射位置很困難。因此利用VSP數(shù)據(jù)進(jìn)行振幅屬性提取，找到了同樣的振幅屬性特征，預(yù)測(cè)該井T8反射軸時(shí)間為3703ms(圖3)。

圖1 常規(guī)VSP鉆前深度預(yù)測(cè)方法T8深度預(yù)測(cè)結(jié)果

3.2 預(yù)測(cè)鉆頭底部到鹽下目的層的速度

確定鹽下T8目的層反射時(shí)間后，鉆頭以下地層的速度就是鉆前深度預(yù)測(cè)精度的關(guān)鍵。常規(guī)VSP鉆前深度預(yù)測(cè)方法主要通過(guò)區(qū)域上該地層的速度填充(直達(dá)波初至相遇法)或者鄰井的速度填充(鄰井速度填充法)進(jìn)行預(yù)測(cè)，但這些方法不是假定井底以下速度不變，就是用附近區(qū)域內(nèi)的速度替代。為了得到更準(zhǔn)確的深度預(yù)測(cè)結(jié)果，還應(yīng)進(jìn)行速度反演，得到井底以下可靠的地層速度，據(jù)此計(jì)算井底以下目的層的深度。本文采用波阻抗反演方法預(yù)測(cè)該井井底以下地層的速度，該方法主要通過(guò)如下三步來(lái)實(shí)現(xiàn)。

首先，建立可靠的初始速度模型。通常利用零井源距VSP走廊疊加資料進(jìn)行波阻抗反演，獲得速度。但反演結(jié)果都具有多解性，并且依賴于初始速度模型，而且由于地震數(shù)據(jù)低頻信息的缺失，使反演結(jié)果只有高頻成分，低頻成分主要來(lái)自于建立的初始模型，因此為了得到一個(gè)可靠的初始低頻速度模型至關(guān)重要。其方法是從零井源距VSP動(dòng)校拉平剖面上判斷出井底以下特征明顯的反射層的反射時(shí)間，按照初至波與目的層的一次反射波同相軸在井底以下的趨勢(shì)向深處延伸，兩同相軸相交的深度就指示目的層的深度。有了深度和反射時(shí)間，就可以計(jì)算出這些大套層的速度，再對(duì)速度進(jìn)行平滑建立相應(yīng)的初始速度模型，其中沒(méi)有密度資料的井可根據(jù)Gardner公式計(jì)算。

然后，從零井源距VSP的下行波中提取地震子波，對(duì)VSP走廊疊加道按牛頓迭代法構(gòu)建迭代格式，進(jìn)行波阻抗反演，選取波阻抗為模型參數(shù)，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)與理論正演模擬數(shù)據(jù)的最佳擬合確定介質(zhì)的波阻抗。在反演迭代過(guò)程中采用馬奎特法不斷修改阻尼因子，以及引入預(yù)條件共軛梯度法求解方程組，來(lái)增強(qiáng)解的穩(wěn)定性和提高收斂速度[20-22]，具體的迭代反演流程如圖4所示。

圖2 不同井鹽下構(gòu)造VSP屬性特征

圖3 VSP振幅屬性特征預(yù)測(cè)T8反射層時(shí)間

圖4 基于模型的非線性迭代反演算法流程

圖5 VSP鉆前深度預(yù)測(cè)

最后，由這個(gè)初始模型進(jìn)行迭代反演，不斷地修正模型，使反演得到的速度與提取的子波褶積的結(jié)果和VSP走廊疊加數(shù)據(jù)之間的誤差達(dá)到最小，此時(shí)得到一個(gè)較為準(zhǔn)確的速度反演結(jié)果。利用反演速度重新計(jì)算井底以下目的層的深度，這個(gè)計(jì)算結(jié)果與一開始直達(dá)波初至相遇法預(yù)測(cè)的深度結(jié)果相比，會(huì)更加精確。

根據(jù)該方法對(duì)該井鉆頭以下鹽下層的速度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)合T8反射時(shí)間預(yù)測(cè)T8的深度為7262m(圖5)，預(yù)測(cè)結(jié)果經(jīng)多方論證后決定繼續(xù)往下鉆。當(dāng)鉆頭打到7261m時(shí)鉆遇了T8，并獲得了較好的油氣層。預(yù)測(cè)的深度誤差僅為7262-7261=1m， 成功解決了該井的地質(zhì)問(wèn)題。

4 預(yù)測(cè)精度對(duì)比分析

在KS102井預(yù)測(cè)實(shí)例中，在鉆前對(duì)T8反射位置錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，兩種常規(guī)VSP鉆前深度預(yù)測(cè)方法(直達(dá)波初至相遇法和鄰井速度填充法)誤差均很大，絕對(duì)誤差在百米以上、相對(duì)誤差在24%以上。但是利用VSP振幅屬性預(yù)測(cè)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)T8的反射位置以后，直達(dá)波初至相遇法相對(duì)誤差為12.2%、鄰井速度填充法相對(duì)誤差為1.9%，而VSP振幅屬性預(yù)測(cè)法(波阻抗反演方法預(yù)測(cè)速度)相對(duì)誤差僅為0.23%。相比之下，采用VSP振幅屬性預(yù)測(cè)法所獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果在精度上比直達(dá)波初至相遇法提高了約53倍，比鄰井速度填充法提高了8倍。KS102井T8深度不同方法預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 KS102井T8深度預(yù)測(cè)結(jié)果

注：深度從鉆井平臺(tái)海拔起算

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)在庫(kù)車坳陷高陡構(gòu)造區(qū)，特別是對(duì)鹽下目的層地震資料反射軸認(rèn)識(shí)不清的情況下，創(chuàng)新性地提出VSP振幅屬性預(yù)測(cè)法來(lái)預(yù)測(cè)鉆頭前方鹽下構(gòu)造目的層的反射位置，是解決該區(qū)問(wèn)題的關(guān)鍵。

(2)在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鹽下構(gòu)造目的層的反射位置的前提下，利用波阻抗反演方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鹽下目的層的速度，是提高深度預(yù)測(cè)的精度的關(guān)鍵。

(3)基于VSP振幅屬性特征的鹽下構(gòu)造鉆前深度預(yù)測(cè)新方法已經(jīng)通過(guò)庫(kù)車坳陷地區(qū)20口井VSP資料的驗(yàn)證，并在該區(qū)成功指導(dǎo)了5口井的實(shí)際鉆探，降低了鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

(4)實(shí)踐證明，基于VSP振幅屬性特征的鹽下構(gòu)造鉆前深度預(yù)測(cè)新方法周期短、精度高、成本低，值得在類似地區(qū)推廣應(yīng)用。

本文研究得到了中國(guó)石油塔里木油田分公司吳超、李青的指導(dǎo)和支持，在此表示感謝； 感謝中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司新興物探開發(fā)處張慶紅、鮑磊英、彭繼新的悉心指導(dǎo)。

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*河北省涿州市東方地球物理公司新興物探開發(fā)處，072751。Email：wangchong0731@163.com

本文于2016年10月10日收到，最終修改稿于2017年9月7日收到。

本項(xiàng)研究受國(guó)家“十三·五”重大科技專項(xiàng)“庫(kù)車拗陷深層—超深層天然氣田開發(fā)示范工程”(2016ZX05051)資助。

1000-7210(2017)06-1246-07

王沖，王靜，蔡志東，張曉丹，付檢剛，崔曉杰.基于VSP振幅屬性特征的鹽下構(gòu)造鉆前深度預(yù)測(cè)新方法.石油地球物理勘探，2017,52(6):1246-1252.

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A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.06.015

(本文編輯：宜明理)

王沖 工程師，1982年生； 2006年獲長(zhǎng)江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位； 2009年獲長(zhǎng)江大學(xué)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)碩士學(xué)位； 現(xiàn)在中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司新興物探開發(fā)處從事井中地震資料綜合解釋及方法研究。